記者倪四杰

這是一個(gè)看起來很不起眼的東西。它只有手掌的大小，手好像有點(diǎn)重。它的形狀很特別。細(xì)長(zhǎng)的金屬管子像扁擔(dān)一樣拿著兩個(gè)粗的金屬圓筒，其中一端的金屬圓筒連接著比小指稍細(xì)的管子的一半。(莎士比亞，莎士比亞。)

中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱中科院理化所)研究員趙美光說，現(xiàn)在做這個(gè)東西大約需要100萬人民幣。但是，到2000年，不管花多少錢，外國(guó)都不愿意把它賣給中國(guó)。

這是困擾中國(guó)光學(xué)遙感衛(wèi)星數(shù)十年的“冷卻神器”——宇宙級(jí)脈沖管冰箱，可以快速將局部溫度降低到零下200度，是多年來完好無損的高科技產(chǎn)品。

在中國(guó)的誕生和發(fā)展得益于中科院研究院的“長(zhǎng)跑”。

幾分鐘內(nèi)氣溫下降到零下200度

1月25日，搭載3臺(tái)國(guó)產(chǎn)脈沖管冰箱的“資源1號(hào)02E”衛(wèi)星成功獲得高質(zhì)量視頻。這三臺(tái)脈沖管冰箱是中科院李華開發(fā)并成功應(yīng)用于航天項(xiàng)目的26、27、28臺(tái)宇宙級(jí)脈沖管冰箱。

新冠疫情讓很多人了解了“紅外測(cè)溫”技術(shù)。人體通過熱相機(jī)時(shí)，身體的熱處會(huì)出現(xiàn)紅色。為了測(cè)量地球和大氣的溫度，很多氣象衛(wèi)星也安裝了紅外探測(cè)器。但是，由于與目標(biāo)探測(cè)物相距甚遠(yuǎn)，衛(wèi)星的紅外探測(cè)器必須保持低溫和低溫水平，以便在遠(yuǎn)處目標(biāo)上找到1毫秒的熱變化。

那么，如何使衛(wèi)星的紅外探測(cè)器處于低溫狀態(tài)呢？科學(xué)家發(fā)明了兩種冷卻技術(shù)，一種是被動(dòng)輻射冷卻，基于高溫物體能向低溫物體輻射能量的原理。另一種是主動(dòng)機(jī)械制冷。原理是通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)使氣體膨脹，氣體膨脹時(shí)會(huì)發(fā)生冷卻現(xiàn)象。

“輻射制冷的制冷溫度高，制冷量小，可以用來冷卻小探測(cè)器，但不能滿足太空儀器對(duì)低溫的高要求。相比之下，機(jī)械制冷技術(shù)更有可能。”中科院理化所研究員陳厚磊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

脈沖控制冷卻技術(shù)是機(jī)械制冷技術(shù)的一種。1963年，美國(guó)科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)，中空管子有交變壓力波時(shí)，封閉端會(huì)發(fā)熱，沿管道軸線形成大的溫度梯度。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了脈沖管制冷機(jī)。1984年，蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)脈沖管冰箱進(jìn)行了改造，大大提高了冷卻效率，相關(guān)研究熱也相應(yīng)升溫。

指著手上的脈沖管冰箱，陳厚雷介紹說：“這個(gè)和小指差不多的部位被稱為‘冷手指’。”這個(gè)小冰箱能在幾分鐘內(nèi)將指尖部位降低到零下200度。我們?cè)谥讣獍惭b了探測(cè)器，探測(cè)器溫度下降后，可以清楚地看到地球。" "

從理論走向工程

20世紀(jì)80年代，中科院低溫技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心(中科院理化組成單位之一)在國(guó)內(nèi)率先開始了脈沖控制冷技術(shù)的基礎(chǔ)研究。直到20世紀(jì)90年代，他們多次創(chuàng)造最低冷暖記錄，取得了一系列原創(chuàng)成果，還獲得了國(guó)際寒暑假會(huì)卡皮茶獎(jiǎng)和林德獎(jiǎng)。(威廉莎士比亞、Northern Exposure(美國(guó)電視劇)、國(guó)際寒暑假會(huì)、Kappy Chare獎(jiǎng)、林德獎(jiǎng))

1998年，美國(guó)首先對(duì)脈沖管冰箱進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)，用于空間項(xiàng)目。我國(guó)在脈沖調(diào)節(jié)制冷的基礎(chǔ)研究方面取得了世界上最好的成果，但光學(xué)遙感衛(wèi)星卻飽受沒有自己的空間冰箱的困擾?！爱?dāng)時(shí)，研究單位只能從國(guó)外進(jìn)口，宇宙級(jí)冰箱對(duì)我國(guó)是禁運(yùn)措施，所以開發(fā)單位只能用各種方法購(gòu)買地面級(jí)冰箱?！壁w美光說。

之所以說“辛苦”，是因?yàn)檫M(jìn)口的地面級(jí)冰箱的壽命不足宇宙級(jí)的1/10，經(jīng)常出現(xiàn)問題，衛(wèi)星上天后不能像在地面上一樣隨時(shí)修理。一旦走上軌道，國(guó)家可能會(huì)付出巨大的代價(jià)。

20世紀(jì)90年代后期，在國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、中科院及其他有關(guān)部門的支持下，中科院理化所研究小組開始向應(yīng)用研究的整體過渡。面對(duì)國(guó)家空間遙感和紅外探測(cè)領(lǐng)域的重大需求，他們從高紙堆中走出來，開展了脈沖管制冷機(jī)工程化及空間應(yīng)用研究。從2000年開始，團(tuán)隊(duì)得到了國(guó)家宇宙部門的系統(tǒng)支持。

從理論到工程的路上到處都有挑戰(zhàn)?！拔覀円龅氖怯钪婕?jí)產(chǎn)品。冰箱以后要在天上工作。要保證8年，10年，不再壞?！标惡窭谡f。

冰箱里裝滿了氦，他們必須通過可靠的焊接和密封技術(shù)來保證氦分子極低的泄漏率。(威廉莎士比亞、氦、氦、氦、氦、氦、氦)氣體的壓縮膨脹取決于活塞，要避免活塞和銅壁之間接近和接觸，以免活塞在油不能使用時(shí)磨損?；钊\(yùn)動(dòng)依賴于平面彈簧支撐，他們必須想辦法防止彈簧變形和折斷。

所有的“必需”都意味著壓力?！爱?dāng)時(shí)我們遇到了一些問題，長(zhǎng)期無法推進(jìn)，大家的士氣一度很低?！壁w美光說。

早上8點(diǎn)監(jiān)督進(jìn)度，晚上12點(diǎn)下班等8年過去了。在過去的八年里，日月星辰見證了他們開發(fā)的脈沖管冰箱實(shí)現(xiàn)鈦合金整體焊接?；钊蜌飧字g的距離達(dá)到微米水平。板簧可以用抗疲勞在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)100多億次，甚至用一個(gè)彈簧的抗疲勞在實(shí)驗(yàn)中“奔跑”了10多年，但到目前為止沒有問題。

28臺(tái)脈沖管冰箱已經(jīng)在天上服役了

2008年，在中科院理化所空間共熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)任主任楊成濤研究員的指導(dǎo)下，科學(xué)組研制了我國(guó)第一臺(tái)空間長(zhǎng)壽命脈沖管制冷機(jī)，并成功進(jìn)行了軌道驗(yàn)證。我國(guó)空間冰箱實(shí)現(xiàn)了從無油到有油、從跟蹤到國(guó)際最新一代發(fā)展階段的歷史性飛躍，我國(guó)也因此成為繼美國(guó)之后第二個(gè)掌握空間脈沖控制制冷技術(shù)的國(guó)家。

此后，紅外光譜光學(xué)衛(wèi)星發(fā)展的“吉號(hào)”被踢開，國(guó)家一系列衛(wèi)星型號(hào)的計(jì)劃論證展開得如火如荼。

技術(shù)革新產(chǎn)生了需求，需求反而促進(jìn)了技術(shù)發(fā)展。此后十多年來，我國(guó)星載紅外探測(cè)器的發(fā)展對(duì)星載脈沖管制冷器不斷提出了更高的要求。

>2018年5月9日，高分五號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功，其搭載了由中科院理化所研制的大冷量長(zhǎng)壽命脈沖管制冷機(jī)。

這顆衛(wèi)星承載了我國(guó)首臺(tái)覆蓋可見光、近紅外光、短波、中波、長(zhǎng)波紅外譜段的全譜段光譜成像儀，相較以往的光學(xué)探測(cè)器，它更大也更重。為了適應(yīng)需求，制冷機(jī)項(xiàng)目組大膽采用新方案，將制冷機(jī)原本只能承載十幾毫米大小、幾克重量冷平臺(tái)的冷指，設(shè)計(jì)為可以承載百毫米級(jí)大小、一公斤重量的探測(cè)器組件。

最初幾年，將設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)的道路是坎坷的。但是，經(jīng)歷的失敗越多，成功的喜悅就越發(fā)刻骨銘心。

“這是國(guó)際首創(chuàng)的新型方案！”說這話時(shí)，陳厚磊的眼中閃著光。

2021年12月26日11時(shí)11分，“資源一號(hào)02E”衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，其上搭載的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器必須在零下193攝氏度的低溫環(huán)境中工作，這臺(tái)探測(cè)器比高分五號(hào)上的光譜成像儀更大，對(duì)脈沖管制冷機(jī)冷卻面積的要求是高分五號(hào)的兩倍。

研制過程中，科研人員遇到了前所未有的難題?！啊Y源一號(hào)02E’衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為10年，高于以往的8年壽命要求。為滿足項(xiàng)目需求，我們提出了利用切換裝置備份壓縮機(jī)的方案，在增加有限重量的情況下，大幅度提高了制冷機(jī)的壽命?！边@款脈沖管制冷機(jī)的主任設(shè)計(jì)師、中科院理化所副研究員劉彥杰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

“在冷指設(shè)計(jì)時(shí)，我們采用的大面積冷板因?yàn)闊崦浝淇s而出現(xiàn)了變形問題，承載其上的探測(cè)器很容易因此被折斷。”這款脈沖管制冷機(jī)的冷指設(shè)計(jì)師、中科院理化所副研究員全加回憶，經(jīng)過無數(shù)次討論和調(diào)試，他們對(duì)冷板進(jìn)行了全新的材料匹配，最終解決了問題。

如今，他們已研制出了形態(tài)、性能各異的宇航級(jí)脈沖管制冷機(jī)，其中發(fā)射入軌的有28臺(tái)。

每一個(gè)項(xiàng)目都充滿著挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)成為脈沖管制冷機(jī)研制團(tuán)隊(duì)前進(jìn)的動(dòng)力。

“我們正在研制冷量超過百瓦、溫度接近絕對(duì)零度、重量低至幾百克的更先進(jìn)的空間低溫制冷技術(shù)?！绷后@濤說，團(tuán)隊(duì)將以空間脈沖管制冷機(jī)的成功研制為基礎(chǔ)，繼續(xù)發(fā)揚(yáng)“勇于挑戰(zhàn)，勇于拼搏”的精神，勇?lián)皣?guó)家責(zé)”，為滿足未來空間低溫制冷需求砥礪前行。

在宇航級(jí)低溫制冷機(jī)技術(shù)發(fā)展道路上，這場(chǎng)“長(zhǎng)跑”還在繼續(xù)。

來源： 中國(guó)科學(xué)報(bào)